物聯網形勢下的5G通信技術研究

肖娟

摘? ?要：當今社會已進入物聯網快速發展時期，5G通信技術在其中具有重要的作用。隨著5G移動通信技術標準的發布及2020年5G商用，物聯網將更加快速地發展。文章介紹物聯網及5G通信技術的相關概念及發展概況，研究了適應物聯網需求的若干5G關鍵技術。

關鍵詞：物聯網;第5代移動通信技術;移動通信

當今社會已進入物聯網快速發展時期，眾多國家發布了關于物聯網的發展規劃。我國亦在2010年后發布了相關文件及發展規劃，明確將物聯網列為我國重點發展的戰略性新興產業之一，并確定在智能工業、智能農業、智能物流、智能家居、智能交通等9大重點領域開展應用示范[1]。隨著物聯網產業的發展，物聯網對通信技術提出了更高的要求：大規模機器間連接、高可靠、低延遲、低功耗等。物聯網形勢下，第5代移動通信技術（5th Generation，5G）提出了若干關鍵技術面向物聯網應用。

1? ? 物聯網及5G通信技術概述

1.1? 物聯網概述

物聯網的基本思想出現于20世紀90年代，1995年Bill Gates在《未來之路》中提出了“物物互聯”的概念;2005年國際電信聯盟發布了研究報告《物聯網》，預見無所不在的物聯網通信時代即將來臨;2009年IBM提出了“智慧地球=互聯網+物聯網”的概念。在我國，2009年溫家寶總理提出了“感知中國”，之后我國明確將物聯網列為重點發展的戰略性新興產業之一;2011年發布的《物聯網“十二五”發展規劃》大力推動了物聯網的發展，物聯網技術已經廣泛應用到各行各業中。

物聯網是按照約定的協議，將具有“感知、通信、計算”功能的智能物體、系統、信息資源互聯起來，實現對物理世界“泛在感知、可靠傳輸、智慧處理”的智能服務系統。

可以作為物聯網發展基礎的技術主要有高性能計算機、云計算、大數據等計算機與軟件技術;計算機網絡，互聯網與移動互聯網，GPS，3G，4G，5G移動通信技術與機器對機器（Machine To Machine，M2M）通信模式等網絡與通信技術;嵌入式技術、微機電技術（Micro Electro Mechanical System，MEMS）、傳感器、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、智能手機、可穿戴計算設備等硬件技術;普適計算、并行計算、移動計算、嵌入式計算、基于服務的計算等計算模式;智能控制、數據挖掘、人工智能、機器學習、智能機器人等智能科學與技術。

本文主要介紹為適應物聯網大力發展形勢，5G移動通信提出相應若干關鍵技術。

1.2? 5G移動通信技術概述

2015年，國際電信聯盟明確了5G的名稱等關鍵內容，定義了5G的3大主要應用場景：增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠超低時延通信（Ultra Reliable Low Latency Communications，URLLC）、海量物聯（massive Machine Type Communications，mMTC）。

相對于4G，5G帶來的是更快的速率、更低的功耗、更短的延遲、更強的穩定性，能支持更多用戶使用。5G的用戶體驗速率可提升至1 Gbps，用戶峰值速率可達10 Gbps;5G的時延低至1 ms;連接設備數可達100萬連接/km2。

我國于2016年1月開始進行5G技術研發;2017年11月5G頻段正式劃定;2018年3大運營商確定2019年5G預商用，2020年5G商用;2019年8月5G手機中國上市。

2? ? 物聯網形勢下若干5G關鍵技術

為適應萬物互聯，5G采用了相應的關鍵技術。本文介紹其中幾項。

2.1? Massive? MIMO

大規模天線技術（Massive MIMO）是5G提高系統容量和頻譜利用率的關鍵技術。

Massive MIMO是指通過基站內的大量天線實現同一頻率資源與多臺空間上分離的用戶終端同時通信，并進行多徑傳輸，如圖1所示。

圖1? Massive MIMO示意

傳統的時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）網絡的天線基本是2天線、4天線或8天線，而Massive MIMO通道數可達到64，128，256個。傳統的MIMO是2D-MIMO，以8天線為例，實際信號在做覆蓋時，只能在水平方向移動，垂直方向不動。而Massive MIMO在水平方向和垂直方向都能隨著目標UE的位置進行調整，信號的輻射狀是個電磁波束，所以Massive MIMO也稱為3D-MIMO。Massive MIMO不僅支持多用戶波束智能賦形，同時也降低了用戶之間的干擾，結合高頻段毫米波技術，可以在一定程度上完善無線信號覆蓋性能[2]。

2.2? 新型網絡架構

新型網絡架構基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）、網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）、移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）和霧計算（Fog Computing）等技術，可實現以用戶為中心，更靈活、智能、高效和開放的5G新型網絡。

NFV的目標是將不同網絡設備整合到工業標準的大量服務器上。SDN的基本原理是將控制面和數據面分拆，網絡智能的邏輯集中化以及將物理網絡通過標準接口從應用和服務中抽象出來[3]。SDN，NFV等技術實現了5G網絡靈活性、延展性和面向服務的管理。

2.3? 終端直通技術

常規的蜂窩移動通信系統以基站為中心，實現小區覆蓋，而基站與中繼站是固定的，網絡結構也是固定的，缺乏靈活性。

終端直通（Device-to-Device，D2D）技術是一種無需借助基站，在系統控制下允許終端與終端之間通過復用小區資源直接通信的技術。由于D2D技術不經過基站，可大大節約資源和時間。同時，由于用戶是在短距離直接通信，信道質量也得到較大提高。D2D技術能實現較高的信息傳輸速率、較低的時延和功耗，支持靈活的連接方式和網絡架構，提升了網絡的靈活性和可靠性[4]。

2.4? 超密集組網技術

為適應移動物聯網的要求，5G系統要求更高的網絡容量和更好的網絡覆蓋，超密集網絡（Ultra Dense Network，UDN）作為5G通信系統的關鍵技術之一，能有效地實現網絡無縫鏈接的部署方案。與傳統的宏基站部署相比，超密集網絡能夠改善網絡覆蓋，大幅度提升系統容量，并且對業務進行分流，具有更靈活的網絡部署和更高效的頻率復用，超密集網絡小區由用戶部署，減少了成本[5]。

與此同時，密集的網絡部署也使得網絡拓撲更加復雜，小區間干擾成為制約系統容量增長的主要因素，極大地降低了網絡能效。干擾消除、密集小區間協作、小區快速發現、基于終端能力提升的移動性增強方案等，都是密集網絡的研究課題。

2.5? 新型多址技術

新型多址技術通過發送信號的疊加傳輸來提升系統的接入能力，可有效支撐5G網絡千億設備連接需求。

目前國內提出3個5G新的空中方案：華為的稀疏碼分多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）、大唐的圖樣分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）、中興的多用戶共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）。

3? ? 結語

在對物聯網及5G移動通信技術相關概念進行介紹的基礎上，本文主要介紹了為適應物聯網形勢，5G采用的Massive MIMO、新型網絡架構、D2D、新型多址技術等。物聯網行業的不斷發展需要足夠的網絡容量以及傳輸速率的支持，需要5G通信技術不斷完善，以更好促進物聯網行業發展。

[參考文獻]

[1]吳功宜，吳英.物聯網工程導論[M].2版.北京：機械工業出版社，2018.

[2]汪洋溢，田議.5G標準及關鍵技術[J].信息技術與標準化，2016（6）：47-51

[3]AFIF O，JOSE F M，PATRICK M.5G移動無線通信技術[M].陳明，繆慶育，劉愔，譯.北京：人民郵電出版社，2017.

[4]宋耐寶.物聯網形勢下的5G技術探析[J].數字技術與應用，2017（8）：29-31.

[5]劉海燕.面向5G的超密集網絡中分布式無線資源管理的研究[D].北京：北京交通大學，2016.